Mengapa Epitaksi Gllium Nitride (GaN) Tidak Tumbuh pada substrat GaN?

Pertumbuhan daripadaEpitaksi GaNpada substrat GaN memberikan cabaran yang unik, walaupun sifat unggul bahan jika dibandingkan dengan silikon.Epitaksi GaNmenawarkan kelebihan ketara dari segi lebar jurang jalur, kekonduksian terma, dan medan elektrik pecahan berbanding bahan berasaskan silikon. Ini menjadikan penggunaan GaN sebagai tulang belakang bagi semikonduktor generasi ketiga, yang memberikan penyejukan yang dipertingkatkan, kehilangan pengaliran yang lebih rendah dan prestasi yang lebih baik di bawah suhu dan frekuensi tinggi, satu kemajuan yang menjanjikan dan penting untuk industri fotonik dan mikro-elektronik.

GaN, sebagai bahan semikonduktor generasi ketiga utama, terutamanya bersinar kerana kebolehgunaannya yang luas dan telah dianggap sebagai salah satu bahan terpenting berikutan silikon. Peranti kuasa GaN menunjukkan ciri unggul berbanding peranti berasaskan silikon semasa, seperti kekuatan medan elektrik kritikal yang lebih tinggi, rintangan hidup yang lebih rendah dan frekuensi pensuisan yang lebih pantas, yang membawa kepada kecekapan dan prestasi sistem yang lebih baik di bawah suhu operasi yang tinggi.

Dalam rantaian nilai semikonduktor GaN, yang merangkumi substrat,Epitaksi GaN, reka bentuk peranti dan pembuatan, substrat berfungsi sebagai komponen asas. GaN secara semula jadi adalah bahan yang paling sesuai untuk digunakan sebagai substrat di manaEpitaksi GaNditanam kerana keserasian intrinsiknya dengan proses pertumbuhan homogen. Ini memastikan tahap tegasan yang minimum disebabkan oleh perbezaan dalam sifat bahan, menghasilkan penjanaan lapisan epitaxial yang berkualiti tinggi berbanding dengan yang ditanam pada substrat heterogen. Dengan menggunakan GaN sebagai substrat, epistemologi GaN berkualiti tinggi boleh dihasilkan, dengan ketumpatan kecacatan dikurangkan secara dalaman dengan faktor seribu berbanding substrat seperti nilam. Ini menyumbang kepada pengurangan ketara dalam suhu simpang LED dan membolehkan peningkatan sepuluh kali ganda dalam lumen per unit luas.

Walau bagaimanapun, substrat konvensional peranti GaN bukanlah kristal tunggal GaN kerana kesukaran yang berkaitan dengan pertumbuhannya. Kemajuan dalam pertumbuhan kristal tunggal GaN telah berkembang dengan ketara lebih perlahan daripada bahan semikonduktor konvensional. Cabarannya terletak pada penanaman kristal GaN yang memanjang dan kos efektif. Sintesis pertama GaN berlaku pada tahun 1932, menggunakan ammonia dan galium logam tulen untuk mengembangkan bahan tersebut. Sejak itu, penyelidikan meluas telah dijalankan ke dalam bahan kristal tunggal GaN, namun cabaran masih kekal. Ketidakupayaan GaN untuk melebur di bawah tekanan biasa, penguraiannya menjadi Ga dan nitrogen (N2) pada suhu tinggi, dan tekanan penyahmampatannya yang mencapai 6 gigapascal (GPa) pada takat lebur 2,300 darjah Celsius menyukarkan peralatan pertumbuhan sedia ada untuk menampung sintesis hablur tunggal GaN pada tekanan tinggi sedemikian. Kaedah pertumbuhan cair tradisional tidak boleh digunakan untuk pertumbuhan kristal tunggal GaN, oleh itu memerlukan penggunaan substrat heterogen untuk epitaksi. Dalam keadaan semasa peranti berasaskan GaN, pertumbuhan biasanya dilakukan pada substrat seperti silikon, silikon karbida, dan nilam, dan bukannya menggunakan substrat GaN homogen, menghalang pembangunan peranti epitaxial GaN dan menghalang aplikasi yang memerlukan substrat homogen- peranti dewasa.

Beberapa jenis substrat digunakan dalam epitaksi GaN:

1. nilam:Sapphire, atau α-Al2O3, ialah substrat komersial yang paling meluas untuk LED, menangkap sebahagian besar pasaran LED. Penggunaannya telah digembar-gemburkan kerana kelebihannya yang unik, terutamanya dalam konteks pertumbuhan epitaxial GaN, yang menghasilkan filem dengan ketumpatan terkehel yang sama rendah seperti yang ditanam pada substrat silikon karbida. Pengilangan Sapphire melibatkan pertumbuhan cair, proses matang yang membolehkan pengeluaran kristal tunggal berkualiti tinggi pada kos yang lebih rendah dan saiz yang lebih besar, sesuai untuk aplikasi industri. Akibatnya, nilam adalah salah satu substrat terawal dan paling lazim dalam industri LED.

2. Silicon Carbide:Silikon karbida (SiC) ialah bahan semikonduktor generasi keempat yang menduduki tempat kedua dalam bahagian pasaran untuk substrat LED, selepas nilam. SiC dicirikan oleh bentuk kristalnya yang pelbagai, terutamanya dikelaskan kepada tiga kategori: padu (3C-SiC), heksagon (4H-SiC), dan rombohedral (15R-SiC). Majoriti kristal SiC ialah 3C, 4H, dan 6H, dengan jenis 4H dan 6H-SiC digunakan sebagai substrat untuk peranti GaN.

Silikon karbida adalah pilihan yang sangat baik sebagai substrat LED. Namun begitu, penghasilan kristal tunggal SiC yang berkualiti tinggi dan bersaiz besar kekal mencabar, dan struktur berlapis bahan menjadikannya terdedah kepada belahan, yang menjejaskan integriti mekanikalnya, yang berpotensi memperkenalkan kecacatan permukaan yang menjejaskan kualiti lapisan epitaxial. Kos substrat SiC kristal tunggal adalah lebih kurang beberapa kali ganda daripada substrat nilam yang sama saiz, mengehadkan penggunaan meluasnya disebabkan harga premiumnya.

Semicorex  850V Kuasa Tinggi GaN-on-Si Epi Wafer

3. Silikon Kristal Tunggal:Silikon, sebagai bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan dan ditubuhkan secara industri, menyediakan asas yang kukuh untuk penghasilan substrat epitaxial GaN. Ketersediaan teknik pertumbuhan silikon kristal tunggal termaju memastikan pengeluaran substrat bersaiz 6 hingga 12 inci yang menjimatkan kos dan berskala besar. Ini dengan ketara mengurangkan kos LED dan membuka jalan untuk penyepaduan cip LED dan litar bersepadu melalui penggunaan substrat silikon kristal tunggal, memacu kemajuan dalam pengecilan. Tambahan pula, berbanding dengan nilam, yang pada masa ini merupakan substrat LED yang paling biasa, peranti berasaskan silikon menawarkan kelebihan dari segi kekonduksian terma, kekonduksian elektrik, keupayaan untuk membuat struktur menegak, dan lebih sesuai untuk fabrikasi LED berkuasa tinggi.**